Общие сведения о материалах в приборостроении: классификация, условные обозначения, свойства

Одна из основных тенденций современного приборостроения – создание и применение современных материалов, которые, наряду с традиционными материалами, обеспечивают изделию наилучшие конструктивные и эксплуатационные свойства, при соответствующем экономическом обосновании.

Правильный выбор материала оказывает значительное влияние на технологичность изделия, производительность и стоимость его изготовления.

Классификация материалов

Все материалы можно разделить:

а) по назначению:

• на конструкционные (для изготовления конструкций приборов и вспомогательной части инструментов);

• инструментальные (для изготовления главной части или всей конструкции инструментов);

б) по внутреннему строению:

• на металлические (имеющие кристаллическую решётку);

• неметаллические (не имеющие кристаллической решётки).

Все основные свойства материалов при любом назначении разделяются на:

• механические (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение, твёрдость, ударная вязкость, предел ползучести, предел длительной прочности);

• физические (цвет, температура плавления, плотность, коэффициент линейного и объёмного расширения, электропроводность, теплопроводность);

• химические (коррозионная стойкость, химическая активность, жаростойкость, способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами);

• технологические (жидкотекучесть, усадка, свариваемость, ковкость, обработка резанием);

• эксплуатационные (надёжность, антифрикционная способность, прочность, долговечность, жёсткость, износостойкость, циклическая вязкость, хладостойкость, жаропрочность);

• экономические (наличие легирующих элементов, не дефицитность, стоимость).

Условные обозначения марок и характеристики основных конструкционных материалов

Основным требованием к конструкционным материалам является конструкционная прочность, для увеличения которой применяют прогрессивные методы упрочняющей обработки; композиты; сплавы на основе титана, магния и алюминия.

Все металлические материалы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы.

Чёрные металлы

Чёрные металлы созданы на основе железа. Это основной материал для изготовления нагруженных и ответственных деталей. Он обладает высокой прочностью, жёсткостью, не дефицитностью и экономичностью. Недостатками являются большая плотность и вес, а также низкая коррозионная стойкость (потери от коррозии составляют до 30% годового производства чёрных металлов 1).

В зависимости от содержания углерода различают стали (не более 2 % С) и чугуны (от 2,14 до 4,50 % С).

СТАЛИ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

В состав любой стали входят: железо, углерод, марганец, кремний (полезные примеси), сера и фосфор (вредные примеси).

С увеличением содержания углерода в стали растут её прочность и твёрдость, но уменьшаются пластичность, вязкость, ухудшается обрабатываемость резанием.

С увеличением марганца растёт прочность и уменьшается пластичность стали.

С увеличением кремния растут прочность, твёрдость и упругость.

С увеличением серы растёт хрупкость (при нагреве стали), но улучшается её обрабатываемость.

С увеличением фосфора растёт хрупкость (при охлаждении стали) и уменьшается вязкость с пластичностью.

Свойства конструкционных сталей сильно изменяются в результате термической и других видов обработки. Вследствие этого оптимальный выбор марки стали и вида упрочняющей обработки изделия является сложной задачей. Низкое качество приборов из-за отказа деталей в работе во многом происходит по причине неправильного решения этой задачи.

Конструкционные стали подразделяются на:

• углеродистые стали обыкновенного качества (количество вредных примесей повышенное: серы до 0,06 %, фосфора до 0,08 %);

• качественные углеродистые стали (допускается серы не более

0,04 %, фосфора – 0,035–0,040 %);

• низколегированные стали с содержанием легирующих элементов до 2 %;

• среднелегированные стали с содержанием легирующих элементов 2–5 %;

• высоколегированные стали, содержащие более 5 % легирующих элементов.

Ограничимся кратким рассмотрением лишь некоторых представителей конструкционной стали.

Углеродистые и легированные качественные стали

Положительной особенностью углеродистых сталей является высокий комплекс механических свойств, который достигается термической обработкой. Они обладают также хорошими технологическими свойствами, не дефицитны и дёшевы. Их недостаток – малая прокаливаемость и сильная чувствительность к перегреву или термической обработке. Необходимость использования при закалке резких охладителей может привести к браку. Поэтому углеродистые стали обычно используются для изготовления простых деталей небольшого сечения.

Легированные качественные стали обладают лучшей прокаливаемостью, а закалка в масле («мягком» охладителе) значительно снижает брак по трещинам и короблению. Они более прочны и надёжны. В тоже время легированные стали хуже обрабатываются резанием и давлением, а также дороже, чем углеродистые.

Применяются они для изготовления деталей с повышенными требованиями к прочности, в том числе для вспомогательной части инструмента (хвостовиков и державок). Высокопрочные стали (например, 03Н18К9М5Т, с содержанием углерода не более 0,03 %), применяются для стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок и т.д.

Примеры марок углеродистой качественной стали: 08, 10, 20, 35, … 85, 65Г.

Примеры марок легированной стали: 15Х, 30ХГС, 40ХФА.

Число с левой стороны обозначений марок определяет среднее содержание углерода в сотых долях процента. Следующие затем буквы обозначают:

Х –	хром,		В –	вольфрам,
Г –	марганец,		Ф –	ванадий,
С –	кремний,		К –	кобальт,
Н –	никель,		Т –	титан,
М –	молибден,		Д –	медь.

Цифра после соответствующей буквы обозначает приблизительное содержание этого элемента в процентах.

Отсутствие цифры означает содержание элемента до 1,0–1,5 %.

Буква «А» в конце марки указывает на повышенное качество этой стали.

Например, 30ХГС: 0,30 % углерода, 1 % хрома, 1 % марганца и 1 % кремния. Остальное – железо.

Зарубежные аналоги некоторых отечественных марок легированных сталей, приведены в таблице 1.4.1 8.

Таблица 1.4.1

Соответствие отечественных и зарубежных марок сталей (фрагмент)

Россия, ГОСТ	Германия, DIN	США, ASTM	Япония, JIS
15Х	15Cr3	5115	SCr415
40Х	41Cr4	5140	SCr440
30ХМ	25CrMo4	4130	SCM430, SCM2
20ХГНМ	21NiCrMo2	8620	SNCM220
20Х13	Х20Cr13	420	SUS420J1
12Х18Н9	Х12CrNi18 9	302	SUS302

Автоматные стали

Автоматными называют стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием, которая оценивается допускаемой скоростью резания, стойкостью режущего инструмента, шероховатостью обработанной поверхности. Особенно важна обрабатываемость в условиях массового производства на станках-автоматах. Поэтому разработаны стали разного состава с повышенной обрабатываемостью резанием. В начале это были стали с повышенным содержанием серы и фосфора. Теперь автоматные стали дополнительно легируют свинцом, селеном, а в последние годы – кальцием. Такие стали способствуют повышению стойкости инструмента до 3-х раз и увеличению скорости резания на

25–50 %.

Недостатком этих углеродистых сернистых сталей является низкая коррозионная стойкость. С учётом наличия примесей серы и фосфора, они применяются, в основном, для изготовления малонагруженных мелких деталей. Их износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой.

Примеры марок: А11, А12, А20, А30, А35, АС35Г2, А40Г.

Буква «А» в начале марки означает название – «автоматная».

Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС».

Число после первых букв определяет среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Буква «Г» в конце марки означает повышенное содержание марганца. Если после буквы «Г» стоит число, то оно означает содержание марганца в процентах. Если число отсутствует, то содержание марганца в стали составляет

1,01,5 %.

Например, А40Г: 0,40 % углерода, 1 % марганца, остальное – железо.

Углеродистые, легированные и высоколегированные литейные стали

Литейные свойства сталей значительно хуже, чем у чугуна и многих цветных литейных сплавов. В отливках из высоколегированных сталей часто имеют место литейные дефекты: усадочные раковины, пористость, трещины, коробления и др. Отливки должны подвергаться термообработке. Применяются для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам и резким изменениям температуры (от -40°С до +450°С). Высоколегированные стали являются коррозионно-стойкими (за счёт хрома и никеля) и применяются в авиационной, химической и судостроительной промышленности.